De naam en de chemische identiteit
De letters SiC zijn de chemische symbolen voor silicium en koolstof, dus SiC is siliciumcarbide, een covalente verbinding van de twee elementen in een verhouding van één op één en met een molaire massa van ongeveer 40 gram per mol. Het komt van nature slechts zelden voor, zoals het mineraal moissaniet, en in wezen is al het commerciële materiaal synthetisch. Siliciumcarbide is extreem hard, met een Mohs-hardheid van ongeveer 9 tot 9,5 en een Knoop-hardheid van bijna 2.500, en het behoudt zijn sterkte bij hoge temperaturen en is bestand tegen oxidatie omdat zich een beschermende silicalaag op het oppervlak vormt. De theoretische dichtheid bedraagt ongeveer 3,21 gram per kubieke centimeter, en het is elektrisch halfgeleidend in zuivere vorm, wat de basis vormt voor het gebruik ervan in vermogenselektronica.
Hoe siliciumcarbide wordt geproduceerd
Bulk-siliciumcarbide wordt gemaakt in een Acheson-oven, waar een mengsel van zeer zuiver kwartszand en koolstof, meestal petroleumcokes, wordt verwarmd door stroom door een grafietkern te laten gaan totdat de lading de reactietemperatuur boven 2000 graden Celsius bereikt. Het product vormt zich als een grote staaf die wordt gebroken, gemalen, gezeefd en gesorteerd. Het proces is energie-intensief. Daarom concentreert de productie van siliciumcarbide zich daar waar de energie goedkoop is. Fijne poeders voor keramiek en voor halfgeleiderwerk worden op andere manieren gemaakt, waaronder de reactie van silicium met koolstof en dampfaseprocessen die materiaal met een zeer hoge zuiverheid en een gecontroleerde deeltjesgrootte opleveren.
Zwarte en groene schuurkwaliteiten
De twee bekende schuurkwaliteiten zijn zwart siliciumcarbide, gemaakt van kwartszand en petroleumcokes en bevatten vaak een lager siliciumcarbidegehalte dat geschikt is voor algemeen gebruik, en groen siliciumcarbide, gemaakt van een zuiverdere lading die een hoger siliciumcarbidegehalte en een scherpere, brokkeligere korrel produceert. Zwarte korrel wordt gebruikt voor gietijzer, steen, glas en non-ferrometalen bij stralen, slijpstenen en gecoate schuurmiddelen, terwijl groene korrel de voorkeur heeft voor hardmetaal en andere harde, broze materialen en voor werk waarbij de warmteontwikkeling moet worden beperkt. Beide zijn ingedeeld in maaswijdten, waarbij elk maasgetal een deeltjesgrootteband definieert, en het siliciumcarbidegehalte van de kwaliteit bepaalt hoeveel niet-schurende mineralen aanwezig zijn.
Vuurvaste en keramische vormen
Siliciumcarbide wordt in vuurvaste materialen gebruikt als grondstof voor bakstenen, gietstukken en ovenmeubilair vanwege de hoge thermische geleidbaarheid, weerstand tegen thermische schokken en chemische stabiliteit. Zijn hoge thermische geleidbaarheid en hoge temperatuursterkte maken het waardevol in warmtewisselaars en in brandercomponenten. Gebonden en gesinterde siliciumcarbide-keramiek dient als mechanische afdichtingen, pomponderdelen, slijtplaten, sproeiers en pantsering, waarbij hardheid en slijtvastheid de beslissende eigenschappen zijn. Reactiegebonden materiaal wordt gemaakt door een voorvorm van siliciumcarbide en koolstof te infiltreren met gesmolten silicium, terwijl gesinterd materiaal wordt verdicht met additieven, en de twee processen geven verschillende porositeit-, sterkte- en kostenprofielen.
Elektrisch en halfgeleidergebruik
Siliciumcarbide is een halfgeleider met een grote bandafstand, en zijn vermogen om bij hoge spanning en hoge temperatuur te werken met een laag schakelverlies heeft het belangrijk gemaakt in de vermogenselektronica. Apparaten zijn gebouwd op monokristallijne wafers die zijn gegroeid uit zeer zuiver poeder door middel van fysiek damptransport, en de wafers moeten voldoen aan zeer strenge limieten op het gebied van micropijpdefecten, dislocaties en doteringsconcentraties. Hetzelfde hoogzuivere poeder wordt gebruikt voor keramiek van halfgeleiderkwaliteit en voor de verwarmingselementen in hogetemperatuurovens. Bij al deze toepassingen ligt de zuiverheidsvereiste veel hoger dan die van materiaal van schurende kwaliteit. Daarom verschilt de prijs per kilogram in ordes van grootte tussen straalgrit en wafels van elektronische kwaliteit.
Veelgestelde vragen
Vraag: Waar staat SiC voor?
SiC staat voor siliciumcarbide, de verbinding van silicium en koolstof, en de letters zijn eenvoudigweg de chemische symbolen van de twee elementen in een verhouding van één op één.
Vraag: Waar wordt siliciumcarbide voor gebruikt?
Het wordt gebruikt als schuurmiddel voor slijpen en stralen, als vuurvaste grondstof, als structureel keramiek voor afdichtingen en slijtdelen, en als halfgeleider met grote bandafstand in de vermogenselektronica.
Vraag: Wat is het verschil tussen zwart en groen siliciumcarbide?
Zwarte korrel is gemaakt van een minder zuivere lading en is geschikt voor algemeen schuurwerk op gietijzer, steen en non-ferrometalen, terwijl groene korrel zuiverder en scherper is en de voorkeur heeft voor harde materialen zoals hardmetaal.
Vraag: Hoe hard is siliciumcarbide?
Het heeft een Mohs-hardheid van ongeveer 9 tot 9,5 en een Knoop-hardheid van bijna 2.500, waardoor het na diamant en kubisch boornitride tot de hardste industriële bulkmaterialen behoort.
Vraag: Is siliciumcarbide natuurlijk of synthetisch?
Bijna al het commerciële siliciumcarbide is synthetisch en wordt geproduceerd in een Acheson-oven uit kwartszand en koolstof, hoewel er een zeldzame natuurlijke vorm bestaat als het mineraal moissaniet.
Vraag: Waarom is siliciumcarbide van elektronische kwaliteit zo duur?
Omdat halfgeleiderwafels moeten worden gekweekt uit poeder met een zeer hoge zuiverheid en moeten voldoen aan extreem strenge grenzen op het gebied van kristaldefecten en doteermiddelen, die veel verder gaan dan de eisen van schurend of vuurvast materiaal.